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1. 開(kāi)始

本文目的是整理面試常見(jiàn)的會(huì)問(wèn)到的題目, 具體細(xì)節(jié)的學(xué)習(xí)需要參考 C++ Primer / Effective C++ 系列書籍 / Inside the C++ Object Model 進(jìn)行學(xué)習(xí).

為了方便查閱, 補(bǔ)充了可能沒(méi)有面試內(nèi)容的一級(jí)標(biāo)題. 這樣一級(jí)標(biāo)題可以和 C++ Primer 書籍保持一致.

1.1. C 和 C++ 的區(qū)別

設(shè)計(jì)思想上:

• C++ 是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言, C 是面向過(guò)程的語(yǔ)言

語(yǔ)法上:

• C++ 具有封裝/繼承/多態(tài)三種特性.
• C++ 相比 C, 增加了類型安全的功能, 比如強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換.
• C++ 支持范式編程, 比如模板類/函數(shù)模板等.

2. 變量和基本類型

2.1. 復(fù)合類型

復(fù)合類型(compound type)是指基于其他類型定義的類型. 最常見(jiàn)的是引用和指針.

引用即別名: 引用(reference)為對(duì)象起了另外一個(gè)名字, 引用類型引用(refers to)另外一種類型.

• 定義引用時(shí), 程序把引用和它的初始值綁定在一起, 而不是將初始值拷貝給引用. 一旦初始化完成, 引用將和它的初始值對(duì)象一直綁定在一起. 因?yàn)闊o(wú)法令引用重新綁定到另外一個(gè)對(duì)象, 因此引用必須初始化.
• 因?yàn)橐貌皇且粋€(gè)對(duì)象, 所以不能定義引用的引用.

指針(pointer)是指向(point to)另外一種類型的復(fù)合類型.

• 指針無(wú)需在定義時(shí)賦初值.
• 指針本身就是一個(gè)對(duì)象, 允許對(duì)指針賦值和拷貝, 而且在指針的生命周期內(nèi)它可以先后指向幾個(gè)不同的對(duì)象.

表 2.1 指針與數(shù)組的區(qū)別

2.2. const限定符

2.2.1. 作用

• 修飾變量: 表明該變量的值不可以被改變.
• 修飾指針: 區(qū)分指向常量的指針和常量指針.
• 修飾引用: 用于形參, 既避免了拷貝, 又避免了函數(shù)對(duì)值的修改.
• 修飾成員函數(shù): 表示函數(shù)不能修改成員變量(實(shí)際上是修飾this指針)

補(bǔ)充:

• 對(duì)于局部對(duì)象,常量存放在棧區(qū);
• 對(duì)于全局對(duì)象, 常量存放在全局/靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū);
• 對(duì)于字面值常量, 常量存放在常量存儲(chǔ)區(qū)(代碼段).

2.2.2. 指向常量的指針 VS 常量指針

參考 C++ Primer 2.4.2 指針和const:

• 指向常量的指針(pointer to const):
• 具有只能夠讀取內(nèi)存中數(shù)據(jù), 卻不能夠修改內(nèi)存中數(shù)據(jù)的屬性的指針(底層 const).
• const int * p;或者int const * p;
• 常量指針(const pointer): 常量指針是指指針?biāo)赶虻奈恢貌荒芨淖? 即指針本身是一個(gè)常量(頂層 const), 但是指針?biāo)赶虻膬?nèi)容可以改變.
• 常量指針必須在聲明的同時(shí)對(duì)其初始化, 不允許先聲明一個(gè)指針常量隨后再對(duì)其賦值, 這和聲明一般的常量是一樣的.
• int * const p = &a;

2.2.3. cosntexpr

• 常量表達(dá)式(const expression)是指值不會(huì)改變并且在編譯過(guò)程就能得到計(jì)算結(jié)果的表達(dá)式.
• 一般來(lái)說(shuō), 如果認(rèn)定變量是一個(gè)常量表達(dá)式, 那就把它聲明成constexpr類型.
• 一個(gè)constexpr指針的初始值必須是nullptr或者0, 或者是存儲(chǔ)于某個(gè)固定地址中的對(duì)象.
• constexpr函數(shù)是指能用于常量表達(dá)式的函數(shù).
• 函數(shù)的返回類型及所有的形參的類型都得是字面值類型.
• 函數(shù)體中必須有且只有一條return語(yǔ)句.

2.2.4. #define VS const

3. 字符串、向量和數(shù)組

4. 表達(dá)式

4.1. 右值

C++的表達(dá)式要不然是右值(rvalue), 要不然是左值(lvalue). 這兩個(gè)名詞是從 C 語(yǔ)言繼承過(guò)來(lái)的, 原本是為了幫助記憶: 左值可以位于賦值語(yǔ)句的左側(cè), 右值則不能.

當(dāng)一個(gè)對(duì)象被用做右值的時(shí)候, 用的是對(duì)象的值(內(nèi)容); 當(dāng)對(duì)象被用做左值的時(shí)候, 用的是對(duì)象的身份(在內(nèi)存中的位置).

4.2. ++i/i++

前置版本++i: 首先將運(yùn)算對(duì)象加 1, 然后將改變后的對(duì)象作為求值結(jié)果.

后置版本i++: 也會(huì)將運(yùn)算對(duì)象加 1, 但是求解結(jié)果是運(yùn)算對(duì)象改變之前的那個(gè)值的副本.

以下摘錄自 More Effective C++ Item 6:

// prefix form(++i): increment and fetch
UPInt&  UPInt::operator++()
{
    *this +=1；        // increment
    return *this；     // fetch
}
// postfix form(i++): fetch and increment
const UPInt UPInt::operator++(int)
{
    const UpInt oldValue = *this; // fetch
    ++(*this);                    // increment
    return oldValue；             // return what was fetched
}

4.3. sizeof運(yùn)算符

4.3.1. 普通變量執(zhí)行sizeof

sizeof運(yùn)算符的結(jié)果部分地依賴于其作用的類型:

• 對(duì)char或者類型為char的表達(dá)式執(zhí)行sizeof運(yùn)算, 結(jié)果得 1.
• 對(duì)引用類型執(zhí)行sizeof運(yùn)算得到被引用對(duì)象所占空間的大小.
• 對(duì)指針執(zhí)行sizeof運(yùn)算得到指針本身所占空間的大小.
• 對(duì)解引用指針執(zhí)行sizeof運(yùn)算得到指針指向的對(duì)象所占空間的大小.
• 對(duì)數(shù)組執(zhí)行sizeof運(yùn)算得到整個(gè)數(shù)組所占空間的大小, 等價(jià)于對(duì)數(shù)組中所有元素各執(zhí)行一次sizeof運(yùn)算并將所得結(jié)果求和.
• 對(duì)string對(duì)象或vector對(duì)象執(zhí)行sizeof運(yùn)算只返回該類型固定部分的大小.

4.3.2. 類執(zhí)行sizeof

class A {};
class B { B(); ~B() {} };
class C { C(); virtual ~C() {} };
class D { D(); ~D() {} int d; };
class E { E(); ~E() {} static int e; };
int main(int argc, char* argv[]) {
    std::cout << sizeof(A) << std::endl; // 輸出結(jié)果為1
    std::cout << sizeof(B) << std::endl; // 輸出結(jié)果為1
    std::cout << sizeof(C) << std::endl; // 輸出結(jié)果為8,實(shí)例中有一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針
    std::cout << sizeof(D) << std::endl; // 輸出結(jié)果為4,int占4個(gè)字節(jié)
    std::cout << sizeof(E) << std::endl; // 輸出結(jié)果為1,static不算
    return 0;
}

• 定義一個(gè)空類型, 里面沒(méi)有成員變量和成員函數(shù), 求sizeof結(jié)果為 1. 空類型的實(shí)例中不包括任何信息, 本來(lái)求sizeof得到0, 但是當(dāng)我們聲明該類型的實(shí)例的時(shí)候, 它必須在內(nèi)存中占有一定的空間, 否則則無(wú)法使用這些實(shí)例, 至于占用多少內(nèi)存, 由編譯器決定, 一般有一個(gè)char類新的內(nèi)存.
• 如果在該類型中添加一個(gè)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù), 再對(duì)該類型求sizeof結(jié)果仍為 1. 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)只需要知道函數(shù)的地址即可, 而這些函數(shù)的類型只與類型相關(guān), 而與類型的實(shí)例無(wú)關(guān), 編譯器也不會(huì)因?yàn)檫@兩個(gè)函數(shù)在實(shí)例內(nèi)添加任何額外的信息.
• 如果把析構(gòu)函數(shù)標(biāo)記為虛函數(shù), 就會(huì)為該類型生成虛函數(shù)表, 并在該類型的每一個(gè)實(shí)例中添加一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針. 在 32 位的機(jī)器上, 一個(gè)指針占 4 字節(jié)的空間, 因此求sizeof得到 4; 在 64 位機(jī)器上, 一個(gè)指針占 8 字節(jié)的空間, 因此求sizeof得到 8.

4.4. 顯式轉(zhuǎn)換

• static_cast: 任何具有明確定義的類型轉(zhuǎn)換, 只要不包含底層const, 都可以使用static_cast.
• dynamic_cast: 用于(動(dòng)態(tài))多態(tài)類型轉(zhuǎn)換. 只能用于含有虛函數(shù)的類, 用于類層次間的向上向下轉(zhuǎn)化.
• const_cast: 去除"指向常量的指針"的const性質(zhì).
• reinterpret_cast: 為運(yùn)算對(duì)象的位模式提供較低層次的重新解釋, 常用于函數(shù)指針的轉(zhuǎn)換.

5. 語(yǔ)句

6. 函數(shù)

6.1. 函數(shù)基礎(chǔ)

6.1.1. 形參和實(shí)參

實(shí)參是形參的初始值.

6.1.2. static

• 修飾局部變量: 使得被修飾的變量成為靜態(tài)變量, 存儲(chǔ)在靜態(tài)區(qū). 存儲(chǔ)在靜態(tài)區(qū)的數(shù)據(jù)生命周期與程序相同, 在main函數(shù)之前初始化, 在程序退出時(shí)銷毀. 默認(rèn)初始化為 0.
• 修飾全局變量: 限制了鏈接屬性, 使得全局變量只能在聲明它的源文件中訪問(wèn).
• 修飾普通函數(shù): 使得函數(shù)只能在聲明它的源文件中訪問(wèn).
• 修飾類的成員變量和成員函數(shù): 使其只屬于類而不是屬于某個(gè)對(duì)象. 對(duì)多個(gè)對(duì)象來(lái)說(shuō), 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員只存儲(chǔ)一處, 供所有對(duì)象共用.
• 靜態(tài)成員調(diào)用格式<類名>::<靜態(tài)成員>
• 靜態(tài)成員函數(shù)調(diào)用格式<類名>::<靜態(tài)成員函數(shù)名>(<參數(shù)表>)

6.2. 參數(shù)傳遞

指針參數(shù)傳遞本質(zhì)上是值傳遞, 它所傳遞的是一個(gè)地址值.

一般情況下, 輸入用傳值或者傳const reference. 輸出傳引用(或者指針).

6.3. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)

6.3.1. 使用

將函數(shù)指定為內(nèi)聯(lián)函數(shù)(inline), 通常就是將它在每個(gè)調(diào)用點(diǎn)上"內(nèi)聯(lián)地"展開(kāi).

一般來(lái)說(shuō), 內(nèi)聯(lián)機(jī)制用于優(yōu)化規(guī)模較小(Google C++ Style 建議 10 行以下)、流程直接、頻繁調(diào)用的函數(shù).

在類聲明中定義的函數(shù), 除了虛函數(shù)的其他函數(shù)都會(huì)自動(dòng)隱式地當(dāng)成內(nèi)聯(lián)函數(shù).

6.3.2. 編譯器對(duì)inline函數(shù)的處理步驟

• 將inline函數(shù)體復(fù)制到inline函數(shù)調(diào)用點(diǎn)處;
• 為所用inline函數(shù)中的局部變量分配內(nèi)存空間;
• 將inline函數(shù)的的輸入?yún)?shù)和返回值映射到調(diào)用方法的局部變量空間中;
• 如果inline函數(shù)有多個(gè)返回點(diǎn), 將其轉(zhuǎn)變?yōu)閕nline函數(shù)代碼塊末尾的分支(使用 GOTO).

6.3.3. 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

1. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)同宏函數(shù)一樣將在被調(diào)用處進(jìn)行代碼展開(kāi), 省去了參數(shù)壓棧、棧幀開(kāi)辟與回收, 結(jié)果返回等, 從而提高程序運(yùn)行速度.
2. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)相比宏函數(shù)來(lái)說(shuō), 在代碼展開(kāi)時(shí), 會(huì)做安全檢查或自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換(同普通函數(shù)), 而宏定義則不會(huì).
3. 在類中聲明同時(shí)定義的成員函數(shù), 自動(dòng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)聯(lián)函數(shù), 因此內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以訪問(wèn)類的成員變量, 宏定義則不能.
4. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)在運(yùn)行時(shí)可調(diào)試, 而宏定義不可以.

缺點(diǎn):

1. 代碼膨脹. 內(nèi)聯(lián)是以代碼膨脹(復(fù)制)為代價(jià), 消除函數(shù)調(diào)用帶來(lái)的開(kāi)銷. 如果執(zhí)行函數(shù)體內(nèi)代碼的時(shí)間, 相比于函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷較大, 那么效率的收獲會(huì)很少. 另一方面, 每一處內(nèi)聯(lián)函數(shù)的調(diào)用都要復(fù)制代碼, 將使程序的總代碼量增大, 消耗更多的內(nèi)存空間.
2. inline函數(shù)無(wú)法隨著函數(shù)庫(kù)升級(jí)而升級(jí). inline函數(shù)的改變需要重新編譯, 不像non-inline可以直接鏈接.
3. 是否內(nèi)聯(lián), 程序員不可控. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)只是對(duì)編譯器的建議, 是否對(duì)函數(shù)內(nèi)聯(lián), 決定權(quán)在于編譯器.

6.4. 返回類型和return語(yǔ)句

調(diào)用一個(gè)返回引用的函數(shù)得到左值, 其他返回類型得到右值.

6.5. 特殊用途語(yǔ)言特性

6.5.1. 調(diào)試幫助

assert是一種預(yù)處理器宏. 使用一個(gè)表達(dá)式作為它的條件:

assert(expr);

首先對(duì)expr求值, 如果表達(dá)式為false. assert輸出信息并終止程序的執(zhí)行. 如果表達(dá)式為true. assert什么也不做.

6.6. 函數(shù)指針

函數(shù)指針指向的是函數(shù)而非對(duì)象. 和其他指針一樣, 函數(shù)指針指向某種特定類型. 函數(shù)的類型由它的返回類新和形參共同決定, 與函數(shù)名無(wú)關(guān).

C 在編譯時(shí), 每一個(gè)函數(shù)都有一個(gè)入口地址, 該入口地址就是函數(shù)指針?biāo)赶虻牡刂?

有了指向函數(shù)的指針變量后,可用該指針變量調(diào)用函數(shù),就如同用指針變量可引用其他類型變量一樣

用途: 調(diào)用函數(shù)和做函數(shù)的參數(shù), 比如回調(diào)函數(shù).

char * fun(char * p)  {…}  // 函數(shù)fun
char * (*pf)(char * p);    // 函數(shù)指針pf
pf = fun;                  // 函數(shù)指針pf指向函數(shù)fun
pf(p);                     // 通過(guò)函數(shù)指針pf調(diào)用函數(shù)fun

7. 類

7.1. 定義抽象數(shù)據(jù)類型

7.1.1. this指針

• this指針是一個(gè)隱含于每一個(gè)非靜態(tài)成員函數(shù)中的特殊指針. 它指向調(diào)用該成員函數(shù)的那個(gè)對(duì)象.
• this的目的總是指向"這個(gè)"對(duì)象, 所以this是一個(gè)常量指針, 被隱含地聲明為:ClassName * const this, 這意味著不能給this指針賦值;
• 在ClassName類的const成員函數(shù)中, this指針的類型為:const ClassName* const, 這說(shuō)明不能對(duì)this指針?biāo)赶驅(qū)ο筮M(jìn)行修改.
• 當(dāng)對(duì)一個(gè)對(duì)象調(diào)用成員函數(shù)時(shí), 編譯程序先將對(duì)象的地址賦給this指針, 然后調(diào)用成員函數(shù), 每次成員函數(shù)存取數(shù)據(jù)成員時(shí), 都隱式使用this指針.
• 當(dāng)一個(gè)成員函數(shù)被調(diào)用時(shí), 自動(dòng)向它傳遞一個(gè)隱含的參數(shù), 該參數(shù)是一個(gè)指向這個(gè)成員函數(shù)所在的對(duì)象的指針.
• this并不是一個(gè)常規(guī)變量, 而是個(gè)右值, 所以不能取得this的地址(不能&this).
• 在以下場(chǎng)景中, 經(jīng)常需要顯式引用this指針:
• 為實(shí)現(xiàn)對(duì)象的鏈?zhǔn)揭?
• 為避免對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行賦值操作;
• 在實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí), 如list.

7.1.2. 拷貝函數(shù)

• C++深拷貝與淺拷貝
• 在未定義顯示拷貝構(gòu)造函數(shù)的情況下, 系統(tǒng)會(huì)調(diào)用默認(rèn)的拷貝函數(shù)——即淺拷貝, 它能夠完成成員的一一復(fù)制. 當(dāng)數(shù)據(jù)成員中沒(méi)有指針時(shí), 淺拷貝是可行的; 但當(dāng)數(shù)據(jù)成員中有指針時(shí), 如果采用簡(jiǎn)單的淺拷貝, 則兩類中的兩個(gè)指針將指向同一個(gè)地址, 當(dāng)對(duì)象快結(jié)束時(shí), 會(huì)調(diào)用兩次析構(gòu)函數(shù), 而導(dǎo)致指針懸掛現(xiàn)象, 所以此時(shí)必須采用深拷貝.
• 深拷貝與淺拷貝的區(qū)別就在于深拷貝會(huì)在堆內(nèi)存中另外申請(qǐng)空間來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù), 從而也就解決了指針懸掛的問(wèn)題. 簡(jiǎn)而言之, 當(dāng)數(shù)據(jù)成員中有指針時(shí), 必須要用深拷貝.

7.1.3. 析構(gòu)函數(shù)

(TODO: 整理析構(gòu)函數(shù)的特性)

• 析構(gòu)順序與構(gòu)造函數(shù)的構(gòu)造順序相反.
• 當(dāng)對(duì)象結(jié)束生命周期時(shí), 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行析構(gòu)函數(shù).
• 析構(gòu)函數(shù)聲明時(shí)在函數(shù)名前加取反符~, 不帶任何參數(shù), 也沒(méi)有返回值.
• 如果用戶沒(méi)有聲明析構(gòu)函數(shù), 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)缺省的析構(gòu)函數(shù).
• 如果類中有指針, 且在使用的過(guò)程中動(dòng)態(tài)申請(qǐng)了內(nèi)存, 那么需要顯示構(gòu)造析構(gòu)函數(shù), 在銷毀類之前, 釋放掉申請(qǐng)的內(nèi)存空間, 避免內(nèi)存泄漏.

7.2. 訪問(wèn)控制與封裝

7.2.1. public/private/protected

• 定義在public說(shuō)明符之后的成員在整個(gè)程序內(nèi)可被訪問(wèn), public成員定內(nèi)的接口.
• 定義在private說(shuō)明符之后的成員可以被類的成員函數(shù)訪問(wèn), 但是不能被使用該類的代碼訪問(wèn), private部分封裝了(即隱藏了)類的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié).
• 基類希望它的派生類有權(quán)訪問(wèn)該成員, 同時(shí)禁止其他用戶訪問(wèn). 我們用受保護(hù)的(protected)訪問(wèn)運(yùn)算符說(shuō)明這樣的成員.

7.2.2. struct和class的區(qū)別

• struct與class定義的唯一區(qū)別就是默認(rèn)的訪問(wèn)權(quán)限(struct默認(rèn)是public, class默認(rèn)是private).
• 使用習(xí)慣上, 只有少量成員變量的的用struct定義.

7.2.3. 友元

類可以允許其他類或者函數(shù)訪問(wèn)它的非公有成員, 方法是令其他類或者函數(shù)成為它的有元(friend).

7.3. 構(gòu)造函數(shù)再探

7.3.1. 初始化順序

成員變量的初始化順序與它們?cè)陬惗x中的出現(xiàn)順序一致: 構(gòu)造函數(shù)初始值列表中初始值的前后位置關(guān)系不會(huì)影響

7.3.2. explicit

• 用于類的構(gòu)造函數(shù), 阻止其執(zhí)行隱式類型轉(zhuǎn)換, 但是仍可以被用來(lái)進(jìn)行顯式類型轉(zhuǎn)換.

8. I/O 庫(kù)

9. 順序容器

9.1. 容器庫(kù)概覽

9.1.1. 迭代器

• 迭代器(Iterator)模式又稱游標(biāo)(Cursor)模式, 用于提供一種方法順序訪問(wèn)一個(gè)聚合對(duì)象中各個(gè)元素, 而又不需暴露該對(duì)象的內(nèi)部表示.
• 迭代器本質(zhì)上是類模板, 只是表現(xiàn)地像指針.

9.2. 順序容器操作

9.2.1. emplace

當(dāng)調(diào)用push或insert成員函數(shù)時(shí), 我們將元素類型的對(duì)象傳遞給它們, 這些對(duì)象被拷貝到容器中. 而當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)emplace成員函數(shù)時(shí), 則是將參數(shù)傳遞給元素類型的構(gòu)造函數(shù). emplace成員使用這些參數(shù)在容器管理的內(nèi)存空間中直接構(gòu)造元素.

9.2.2. resize/reserve

• resize: 改變?nèi)萜鲀?nèi)含有元素的數(shù)量.
• reserve: 改變?nèi)萜鞯淖畲笕萘?

9.2.3. 容器操作可能使迭代器失效

在向容器中添加元素后:

• 如果容器是vector或string, 且存儲(chǔ)空間被重新分配, 則指向容器的迭代器, 指針和引用都會(huì)失效.
• 對(duì)于deque, 插入到除首尾位置之外的任何位置都會(huì)導(dǎo)致迭代器指針和引用失效.
• 對(duì)于list, 指向容器的迭代器指針和引用仍然有效.

從容器刪除元素后:

• 對(duì)于list, 指向容器的迭代器指針和引用仍然有效.
• 對(duì)于deque, 在首尾之外的任何位置刪除元素, 其他元素的迭代器也會(huì)失效.
• 對(duì)于vector或string, 被刪元素之前的迭代器仍有效, 尾后迭代器失效.
• 對(duì)于關(guān)聯(lián)式容器(如std::set / std::map), 插入元素不會(huì)使任何迭代器失效.
• 對(duì)于無(wú)序關(guān)聯(lián)式容器(如std::unordered_set / std::unordered_map), 插入元素之后如果發(fā)生了 Rehash(新元素的個(gè)數(shù)大于max_load_factor() * bucket_count()), 則所有迭代器將失效.

9.3. vector

//動(dòng)態(tài)申請(qǐng)數(shù)組
const int M = 10;
const int N = 10;

//使用new申請(qǐng)一個(gè)一維數(shù)組.訪問(wèn)p_arr[i].
int* p_arr = new int[N];
//使用new申請(qǐng)一個(gè)二維數(shù)組.訪問(wèn):p_arr[i][j].
int(*p_arr)[N] = new int[M][N];
//一維數(shù)組轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組.訪問(wèn):p_arr[i*N+j].
int* p_arr = new int[M*N];
//指向指針的指針(指向一維指針數(shù)組).訪問(wèn)p[i][j]
int** p_arr = new int* [M]
for(int i = 0; i < M; i++)
    p_arr[i] = new int[N];
//回收內(nèi)存
for(int i = 0; i < M; i++)
 delete []p_arr[i];
delete []p_arr;

//使用vector申請(qǐng)一個(gè)一維數(shù)組
vector<int> v_arr(n, 0);
vector<int> v_arr{1,0};
//使用vector申請(qǐng)一個(gè)二維數(shù)組, 如果不初始化, 使用[]會(huì)報(bào)錯(cuò)
vector<vector<int>> v_arr(m, vector<int>(n, 0));
vector<vector<int>> v_arr = {{1,0}};

//一維數(shù)組作為函數(shù)參數(shù)
void function(int* a);
void function(int a[]);
void function(int a[N]);
//二維數(shù)組作為函數(shù)參數(shù),他們合法且等價(jià)
void function(int a[M][N]);
void function(int a[][N]);
void function(int (*a)[N])

9.4. string

string s("hello world")
string s2 = s.substring(0, 5); // s2 = hello
string s3 = s.substring(6);    // s3 = world
string s4 = s.substring(6, 11);// s4 = world
string s5 = s.substring(12);   // 拋出一個(gè)out_of_range異常

isalpha(ch); //判斷一個(gè)字符是否是字母
isalnum(ch); //判斷一個(gè)字符是數(shù)字或字母
tolower(ch); //將字母轉(zhuǎn)化成小寫
toupper(ch); //將字母轉(zhuǎn)化為大寫

string str = to_string(num); //將數(shù)字轉(zhuǎn)換成字符串

9.5. vector對(duì)象是如何增長(zhǎng)的

當(dāng)不得不獲取新的內(nèi)存空間時(shí), vector和string的實(shí)現(xiàn)通常會(huì)分配一個(gè)比新的空間需求更大的內(nèi)存空間. 容器預(yù)留這些空間作為備用, 可以用來(lái)保存更多的新元素. 這樣, 就不需要每次添加新元素都重新分配容器的內(nèi)存空間了.

• capacity操作告訴我們?nèi)萜髟诓粩U(kuò)張內(nèi)存空間的情況下可以容納多少個(gè)元素. reserve操作允許我們通知容器它應(yīng)該準(zhǔn)備保存多少個(gè)元素.
• 初始時(shí)刻vector的capacity為 0, 塞入第一個(gè)元素后capacity增加為 1.
• 不同的編譯器實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)容方式不一樣, VS2015 中以 1.5 倍擴(kuò)容, GCC以 2 倍擴(kuò)容.
• 從空間上分析, 擴(kuò)容因子越大, 意味著預(yù)留空間越大, 浪費(fèi)的空間也越多, 所以從空間考慮, 擴(kuò)容因子因越小越好.
• 從時(shí)間上分析, 如果預(yù)留空間不足的話, 就需要重新開(kāi)辟一段空間, 把原有的數(shù)據(jù)復(fù)制到新空間, 如果擴(kuò)容因子無(wú)限大的話, 那顯然就不再需要額外開(kāi)辟空間了. 所以時(shí)間角度看, 擴(kuò)容因子越大越好.

9.6. 容器適配器

除了順序容器外, 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還定義了三個(gè)順序容器適配器: stack、queue和priority_queue.

本質(zhì)上, 一個(gè)適配器是一種機(jī)制, 能使某種事物的行為看起來(lái)像另外一種事物一樣.

默認(rèn)情況下, stack和queue是基于deque實(shí)現(xiàn)的, priority_queue是在vector之上實(shí)現(xiàn)的.

9.6.1. priority_queue

std::priority_queue<int> q1; // 默認(rèn)大根堆
std::priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>>
    q2(data.begin(), data.end()); // 小根堆
// 使用lambda表達(dá)式
auto cmp = [](int left, int right) { return (left ^ 1) < (right ^ 1); };
std::priority_queue<int, std::vector<int>, decltype(cmp)> q3(cmp);

10. 泛型算法

10.1. lambda 表達(dá)式

一個(gè) lambda 表達(dá)式表示一個(gè)可調(diào)用的代碼單元. 我們可以將其理解為一個(gè)未命名的內(nèi)聯(lián)函數(shù). 一個(gè) lambda 表達(dá)式具有如下形式:

[capture list](parameter list) -> return type {function body}

其中capture list(捕獲列表)是一個(gè) lambda 所在函數(shù)中定義的局部變量的列表(通常為空); return type, parameter list和function body與任何普通函數(shù)一樣, 分別表示返回類型、參數(shù)列表和函數(shù)體. 但是與普通函數(shù)不同, lambda 必須使用尾置返回來(lái)制定返回類新.

我們可以忽略參數(shù)列表和返回類型, 但必須包含捕獲列表和函數(shù)體:

auto f = [] {return 42};

11. 關(guān)聯(lián)容器

• map: 關(guān)鍵字-值對(duì); set: 關(guān)鍵字即值.
• map: 按關(guān)鍵字有序保存元素(底層為紅黑樹(shù)); unordered_map: 無(wú)序集合(底層為哈系表).
• map: 關(guān)鍵字不可重復(fù)出現(xiàn); multimap: 關(guān)鍵字可重復(fù)出現(xiàn).

12. 動(dòng)態(tài)內(nèi)存

12.1. 智能指針

智能指針的行為類似常規(guī)指針, 重要的區(qū)別在于它負(fù)責(zé)自動(dòng)釋放所指向的對(duì)象.

shared_ptr

• 允許多個(gè)指針指向同一個(gè)對(duì)象.
• 我們可以認(rèn)為每個(gè)shared_ptr都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器, 通常稱其為引用計(jì)數(shù). 一旦一個(gè)shared_ptr的計(jì)數(shù)器變?yōu)?0, 他就會(huì)自動(dòng)釋放自己所管理的對(duì)象.

unique_ptr

• "獨(dú)占"所指向的對(duì)象.

weak_ptr

• weak_ptr是一種弱引用, 指向shared_ptr所管理的對(duì)象.
• 可打破環(huán)狀引用(cycles of references, 兩個(gè)其實(shí)已經(jīng)沒(méi)有被使用的對(duì)象彼此相互指向, 使之看似還在 “被使用” 的狀態(tài))的問(wèn)題.

make_shared

• make_shared 在動(dòng)態(tài)內(nèi)存中分配一個(gè)對(duì)象并初始化它, 返回指向此對(duì)象的shared_ptr.

13. 拷貝控制

13.1. 對(duì)象移動(dòng)

• 右值引用: 所謂右值引用就是必須綁定到右值的引用. 我們通過(guò)&&而不是&來(lái)獲得右值引用. 右值引用有一個(gè)重要的性質(zhì): 只能綁定到一個(gè)將要銷毀的對(duì)象.
• 左值持久, 右值短暫: 左值有持久的狀態(tài), 而右值要么是字面常量, 要么是在表達(dá)式求值過(guò)程中創(chuàng)建的臨時(shí)對(duì)象.
• 通過(guò)調(diào)用std::move來(lái)獲得綁定到左值上的右值引用.

int &&rr1 = 42;  // 正確: 字面常量是右值
int &&rr2 = rr1; // 錯(cuò)誤: 表達(dá)式rr1是左值
int &&rr3 = std::move(rr1); // ok

14. 重載運(yùn)算與類型轉(zhuǎn)換

15. 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)

15.1. OOP: 概述

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(object-oriented programming)的核心思想是數(shù)據(jù)抽象(封裝)、繼承和動(dòng)態(tài)綁定(多態(tài)).

• 通過(guò)數(shù)據(jù)抽象, 我們可以將接口與實(shí)現(xiàn)分離;
• 使用繼承, 可以定義相似的類型并對(duì)其相似關(guān)系建模;
• 使用動(dòng)態(tài)綁定, 可以在一定程度上忽略相似類型的區(qū)別, 而以統(tǒng)一的方式使用它們的對(duì)象.

15.2. 定義派生類和基類

15.2.1. 初始化順序

• 每個(gè)類控制它自己的成員初始化過(guò)程
• 首先初始化基類的部分, 然后按照聲明的順序依次初始化派生類的成員.

15.2.2. 靜態(tài)多態(tài)/動(dòng)態(tài)多態(tài)

• 靜態(tài)多態(tài)是通過(guò)重載和模板技術(shù)實(shí)現(xiàn),在編譯的時(shí)候確定.
• 動(dòng)態(tài)多態(tài)通過(guò)虛函數(shù)和繼承關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn),執(zhí)行動(dòng)態(tài)綁定, 在運(yùn)行的時(shí)候確定.
• 重載: 兩個(gè)函數(shù)名相同,但是參數(shù)的個(gè)數(shù)或者類型不同.
• 重寫: 子類繼承父類,符類中函數(shù)被聲明為虛函數(shù),子類中重新定義了這個(gè)虛函數(shù).

15.3. 虛函數(shù)

• 虛函數(shù): 基類希望派生類覆蓋的函數(shù), 可以將其定義為虛函數(shù), 這樣每一個(gè)派生類可以各自定義適合自生的版本.
• 當(dāng)基類定義virtual函數(shù)的時(shí)候, 它希望派生類可以自己定義這個(gè)函數(shù).
• 如果使用virtual, 程序依據(jù)引用或者指針?biāo)赶驅(qū)ο蟮念愋蛠?lái)選擇方法(method).
• 如果不使用virtual, 程序依據(jù)引用類型或者指針類型選擇一個(gè)方法(method).
• 虛函數(shù)表指針: 在有虛函數(shù)的類的對(duì)象最開(kāi)始部分是一個(gè)虛函數(shù)表的指針, 這個(gè)指針指向一個(gè)虛函數(shù)表.
• 虛函數(shù)表中放了虛函數(shù)的地址, 實(shí)際的虛函數(shù)在代碼段(.text)中.
• 當(dāng)子類繼承了父類的時(shí)候也會(huì)繼承其虛函數(shù)表, 當(dāng)子類重寫父類中虛函數(shù)時(shí)候, 會(huì)將其繼承到的虛函數(shù)表中的地址替換為重新寫的函數(shù)地址.
• 使用了虛函數(shù), 會(huì)增加訪問(wèn)內(nèi)存開(kāi)銷, 降低效率.

15.3.1. 虛析構(gòu)函數(shù)

Q: 析構(gòu)函數(shù)為什么是虛函數(shù)?

A: 將可能會(huì)被繼承的基類的析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù), 可以保證當(dāng)我們new一個(gè)派生類, 然后使用基類指針指向該派生類對(duì)象, 基類指針時(shí)可以釋放掉派生類的空間, 防止內(nèi)存泄漏.

Q: 為什么 C++ 默認(rèn)析構(gòu)函數(shù)不是虛函數(shù)?

A: C++默認(rèn)的析構(gòu)函數(shù)不是虛函數(shù)是因?yàn)樘摵瘮?shù)需要額外的虛函數(shù)表和虛表指針, 占用額外的內(nèi)存; 所以只有當(dāng)一個(gè)類會(huì)被用作基類時(shí)才將其設(shè)置為虛函數(shù).

15.4. 抽象基類

• 純虛函數(shù)是一種特殊的虛函數(shù), 在基類中不能對(duì)虛函數(shù)給出有意義的實(shí)現(xiàn), 而把它聲明為純虛函數(shù), 它的實(shí)現(xiàn)留給該基類的派生類去做. 書寫=0就可以將一個(gè)虛函數(shù)說(shuō)明為純虛函數(shù).
• 含有(或者未經(jīng)覆蓋直接繼承)純虛函數(shù)的類是抽象基類(abstract base class).

虛函數(shù) VS 純虛函數(shù)

• 類里如果聲明了虛函數(shù), 這個(gè)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)的, 哪怕是空實(shí)現(xiàn), 它的作用就是為了能讓這個(gè)函數(shù)在它的子類里面可以被覆蓋(override), 這樣的話, 編譯器就可以使用后期綁定來(lái)達(dá)到多態(tài)了. 純虛函數(shù)只是一個(gè)接口, 是個(gè)函數(shù)的聲明而已, 它要留到子類里去實(shí)現(xiàn).
• 虛函數(shù)在子類里面可以不重寫; 但純虛函數(shù)必須在子類實(shí)現(xiàn)才可以實(shí)例化子類.
• 虛函數(shù)的類用于 “實(shí)作繼承”, 繼承接口的同時(shí)也繼承了父類的實(shí)現(xiàn). 純虛函數(shù)關(guān)注的是接口的統(tǒng)一性, 實(shí)現(xiàn)由子類完成.
• 帶純虛函數(shù)的類叫抽象類, 這種類不能直接生成對(duì)象, 而只有被繼承, 并重寫其虛函數(shù)后, 才能使用. 抽象類被繼承后, 子類可以繼續(xù)是抽象類, 也可以是普通類.

15.5. 訪問(wèn)控制與繼承

• 公有繼承保持原始狀態(tài)(沒(méi)有特殊要求一般用公有繼承)
• 私有繼承基類的所有成員都作為派生類的私有成員
• 保護(hù)繼承基類的public作為派生類的保護(hù)成員, 其他不變.

16. 模板與泛型編程

17. 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)特殊實(shí)施

18. 用于大型程序的工具

18.1. 多重繼承與虛繼承

• 虛繼承是解決 C++ 多重繼承問(wèn)題的一種手段, 從不同途徑繼承來(lái)的同一基類, 會(huì)在子類中存在多份拷貝, 即浪費(fèi)存儲(chǔ)空間, 又存在二義性的問(wèn)題.
• 底層實(shí)現(xiàn)原理與編譯器相關(guān), 一般通過(guò)虛基類指針和虛基類表實(shí)現(xiàn), 每個(gè)虛繼承的子類都有一個(gè)虛基類指針(占用一個(gè)指針的存儲(chǔ)空間, 4 字節(jié))和虛基類表(不占用類對(duì)象的存儲(chǔ)空間)(需要強(qiáng)調(diào)的是, 虛基類依舊會(huì)在子類里面存在拷貝, 只是僅僅最多存在一份而已, 并不是不在子類里面了); 當(dāng)虛繼承的子類被當(dāng)做父類繼承時(shí), 虛基類指針也會(huì)被繼承.
• 實(shí)際上, vbptr 指的是虛基類表指針(virtual base table pointer), 該指針指向了一個(gè)虛基類表(virtual table), 虛表中記錄了虛基類與本類的偏移地址; 通過(guò)偏移地址, 這樣就找到了虛基類成員, 而虛繼承也不用像普通多繼承那樣維持著公共基類(虛基類)的兩份同樣的拷貝, 節(jié)省了存儲(chǔ)空間.

19. 特殊工具和技術(shù)

19.1. 控制內(nèi)存分配

19.1.1. new & delete

string *sp = new string("a value); // 分配并初始化一個(gè)string對(duì)象
string *arr = new string[10];      // 分配10個(gè)默認(rèn)初始化的string對(duì)象

當(dāng)我們使用一條new表達(dá)式時(shí), 實(shí)際執(zhí)行了三步操作:

• new表達(dá)式調(diào)用一個(gè)名為operate new(或者operate new[])的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù). 該函數(shù)(從自由存儲(chǔ)區(qū)上)分配一塊足夠大的, 原始的, 未命名的內(nèi)存空間(無(wú)需指定內(nèi)存塊的大小)以便存儲(chǔ)特定類型的對(duì)象(或?qū)ο蟮臄?shù)組).
• 編譯器運(yùn)行相應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)以構(gòu)造這些對(duì)象, 并為其傳入初值.
• 對(duì)象被分配了空間并構(gòu)造完成, 返回一個(gè)指向該對(duì)象的指針.

delete sp;  // 銷毀*sp, 然后釋放sp指向的內(nèi)存空間
delete [] arr; // 銷毀數(shù)組中的元素, 然后釋放對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間

當(dāng)我們使用一條delete表達(dá)式刪除一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象時(shí), 實(shí)際執(zhí)行了兩步操作:

1. 對(duì)sp所指的對(duì)象或者arr所指的數(shù)組中的元素執(zhí)行對(duì)應(yīng)的析構(gòu)函數(shù).
2. 編譯器調(diào)用名為operate delete(或者operate delete[])的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)釋放內(nèi)存空間.

19.1.2. malloc&free

• malloc需要顯式的指出內(nèi)存大小: 函數(shù)接受一個(gè)表示待分配字節(jié)數(shù)的size_t.
• 返回指向分配空間的指針(void*)或者返回 0 以表示分配失敗. (從堆上動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存)
• free函數(shù)接受一個(gè)void*, 它是malloc返回的指針的副本, free將相關(guān)內(nèi)存返回給系統(tǒng). 調(diào)用free(0)沒(méi)有任何意義.

// operate new的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
void *operater new(size_t size) {
    if (void *men = malloc(size))
        return mem;
    else
        throw bad_alloc();
}
// opearte delete的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)
void operator delete(void *mem) noexcept { free(mem); }

19.2. 固有的不可移植特性

19.2.1. volatile

• 當(dāng)對(duì)象的值可能在程序控制或檢測(cè)之外(操作系統(tǒng)、硬件、其它線程等)被改變時(shí), 應(yīng)該將該對(duì)象聲名為volatile. 關(guān)鍵字volatile告訴編譯器不應(yīng)對(duì)這樣的對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化.
• volatile關(guān)鍵字聲明的變量, 每次訪問(wèn)時(shí)都必須從內(nèi)存中取出值(沒(méi)有被volatile修飾的變量, 可能由于編譯器的優(yōu)化, 從 CPU 寄存器中取值).

19.2.2. extern

• 在多個(gè)文件之間共享對(duì)象.
• extern "C"的作用是讓 C++ 編譯器將extern "C"聲明的代碼當(dāng)作 C 語(yǔ)言代碼處理, 可以避免 C++ 因符號(hào)修飾導(dǎo)致代碼不能和 C 語(yǔ)言庫(kù)中的符號(hào)進(jìn)行鏈接的問(wèn)題.

20. 鏈接裝載與庫(kù)

“

本小節(jié)內(nèi)容大部分摘錄自《程序員的自我修養(yǎng) - 鏈接裝載與庫(kù)》

”

20.1. .h 和 .cpp 文件的區(qū)別

• .h文件里面放申明, .cpp文件里面放定義.
• .cpp文件會(huì)被編譯成實(shí)際的二進(jìn)制代碼, 而.h文件是在被 include 中之后復(fù)制粘貼到 .cpp 文件里.

20.2. 編譯和鏈接

1. 預(yù)編譯(預(yù)處理): 預(yù)編譯過(guò)程主要處理那些源代碼文件中的以"#"開(kāi)始的預(yù)編譯指令. 比如"#include"、"#define"等. 生成.i或者.ii文件.
2. 編譯: 把預(yù)處理完的文件進(jìn)行一系列的詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析及優(yōu)化后生產(chǎn)相應(yīng)的匯編代碼文件(.s文件).
3. 匯編: 將匯編代碼轉(zhuǎn)變成機(jī)器可以執(zhí)行的指令(機(jī)器碼), 生成.o文件.
4. 鏈接: 鏈接器進(jìn)行地址和空間分配、符號(hào)決議、重定位等步驟, 生成 .out文件.

20.3. 程序的內(nèi)存布局

一般來(lái)講, 應(yīng)用程序使用的內(nèi)存空間里有如下"默認(rèn)"區(qū)域.

• 棧: 棧用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用的上下文. 由操作系統(tǒng)自動(dòng)分配釋放, 一般包含以下幾個(gè)方面:
• 函數(shù)的返回地址和參數(shù)
• 臨時(shí)變量: 包括函數(shù)的非靜態(tài)局部變量以及編譯器自動(dòng)生成的其他臨時(shí)變量
• 保存上下文: 包括函數(shù)調(diào)用前后需要保持不變的寄存器
• 堆: 堆是用來(lái)容納應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存區(qū)域. 由程序員分配釋放 ,當(dāng)程序使用malloc或者new分配內(nèi)存時(shí), 得到的內(nèi)存來(lái)自堆里.
• 可執(zhí)行文件映像: 存儲(chǔ)著可執(zhí)行文件在內(nèi)存里的映像, 由裝載器在裝載時(shí)將可執(zhí)行文件的內(nèi)存讀取或映射到這里.
• .data: 靜態(tài)區(qū), 存放全局變量和局部靜態(tài)變量.
• .bss: 存放未初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量.
• .text: 代碼區(qū), 存放 C 語(yǔ)言編譯后的機(jī)器代碼, 不可在運(yùn)行期間修改.
• 保留區(qū): 保留區(qū)并不是一個(gè)單一的內(nèi)存區(qū)域, 而是對(duì)內(nèi)存中受到保護(hù)而禁止訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域的總稱. 如通常 C 語(yǔ)言將無(wú)效指針賦值為 0(NULL), 因此 0 地址正常情況下不可能有有效的訪問(wèn)數(shù)據(jù).

圖 20.1 Linux 進(jìn)程地址空間布局

20.3.1. 段錯(cuò)誤

Q: 程序出現(xiàn)"段錯(cuò)誤(segment fault)"或者"非法操作, 該內(nèi)存地址不能 read/wirte"的錯(cuò)誤信息, 是什么原因?

A: 這是典型的非法指針解引用造成的錯(cuò)誤. 當(dāng)指針指向一個(gè)不允許讀或?qū)懙膬?nèi)存地址, 而程序卻試圖利用指針來(lái)讀或?qū)懺摰刂返臅r(shí)候, 就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤. 可能的段錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)機(jī)如下:

• 指針沒(méi)有初始化或者初始化為nullptr, 之后沒(méi)有給它一個(gè)合理的值就開(kāi)始使用指針.
• 使用野指針(指向一個(gè)已刪除的對(duì)象或者未申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)受限內(nèi)存區(qū)域的指針).
• 指向常量的指針試圖修改相關(guān)內(nèi)容.

20.4. 編譯型語(yǔ)言 VS 解釋型語(yǔ)言

• 有的編程語(yǔ)言要求必須提前將所有源代碼一次性轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制指令, 也就是生成一個(gè)可執(zhí)行程序(Windows 下的 .exe), 比如 C 語(yǔ)言、C++、Golang、Pascal（Delphi）、匯編等, 這種編程語(yǔ)言稱為編譯型語(yǔ)言, 使用的轉(zhuǎn)換工具稱為編譯器.
• 有的編程語(yǔ)言可以一邊執(zhí)行一邊轉(zhuǎn)換, 需要哪些源代碼就轉(zhuǎn)換哪些源代碼, 不會(huì)生成可執(zhí)行程序, 比如 Python、JavaScript、PHP、MATLAB 等, 這種編程語(yǔ)言稱為解釋型語(yǔ)言, 使用的轉(zhuǎn)換工具稱為解釋器.